第一章 土的物理性质及工程分类

土的物理性质及工程分类第一章对土的特点进行详细解释和定量描述本章特点:看起来零散学习要点:

理清各节间联系各节内层次

第一章土的物理性质及工程分类土的形成渗透特性变形特性强度特性土的三相组成土的物理状态土的结构土的工程分类决定影响便于研究和应用§1-1土的三相组成§1-2土的三相比例指标§1-3黏性土的界限含水率§1-4砂土的密实度§1-5土的工程分类

第一章土的物理性质及工程分类气相固相液相++构成土骨架，起决定作用重要影响土体次要作用§1-1土的三相组成成土过程§1-1土的三相组成

第一章土的物理性质及工程分类土是岩石经过风化后在不同条件下形成的自然历史的产物

剥蚀、搬运、沉积形成过程形成条件物理力学性质风化岩石地球土地球影响§1-1土的三相组成

第一章土的物理性质及工程分类土是岩石风化的产物在自然界，土的形成过程是十分复杂的，地壳表层的岩石在阳光、大气、水和生物等因素影响下发生风化作用，使岩石崩解、破碎，经流水、风、冰川等动力搬运作用，在各种自然环境下沉积，形成土体，因此通常说土是岩石风化的产物。风化过程包括物理风化和化学风化，他们经常是同时进行而且是互相加剧发展的进程。§1-1土的三相组成

第一章土的物理性质及工程分类土的形成与风化作用物理风化化学风化生物活动岩石和土的粗颗粒受各种气候等物理因素的影响产生胀缩而发生裂缝,或在运动过程中因碰撞和摩擦而破碎是颗粒大小发生量的变化矿物成分与母岩相同，称

原生矿物产生无黏性土

第一章土的物理性质及工程分类§1-1土的三相组成母岩表面和碎散的颗粒受环境因素的作用而改变其矿物的化学成分，形成新的矿物颗粒成分发生质的变化矿物成分与母岩不同，称

次生矿物形成十分细微的土颗粒，最主要为黏性颗粒及可溶盐类土的形成与风化作用物理风化化学风化生物活动

第一章土的物理性质及工程分类§1-1土的三相组成包括植物、动物和土壤微生物的作用可加剧物理和化学风化构成土中有机质和营养物质的生物循环导致腐殖质的形成，改变土壤的结构土的形成与风化作用物理风化化学风化生物活动

第一章土的物理性质及工程分类§1-1土的三相组成残积土

无搬运运积土

有搬运搬运与沉积母岩表层经风化作用破碎成岩屑或细小颗粒后，未经搬运残留在原地的堆积物残积土强风化弱风化微风化母岩体颗粒表面粗糙多棱角粗细不均无明显层理

第一章土的物理性质及工程分类§1-1土的三相组成搬运与沉积残积土

无搬运运积土

有搬运风化所形成的土颗粒，受自然力的作用搬运到远近不同的地点所沉积的堆积物坡积土：土粒粗细不同，性质不均洪积土：有分选性，近粗远细冲积土：浑圆度分选性明显，土层交迭湖泊沼泽沉积土：含有机物淤泥，土性差海相沉积物：颗粒细，表层松软，土性差冰积土：土粒粗细变化较大，性质不均匀风积土：颗粒均匀，层厚而不具层理

第一章土的物理性质及工程分类§1-1土的三相组成土的三相组成碎散:多孔：多相：三相组成又称三相系。固相—土粒，含有机质；液相—土中水；

气相—土中气；二相系饱和土：土中空隙全部为水（固、液两相）烘干土：土中空隙全部为气体（固、气两相）三相系湿土：（固、液、气）土的基本特点:§1-1土的三相组成

第一章土的物理性质及工程分类(一)土的固体颗粒物理状态力学特性颗粒级配矿物成分颗粒形状粗粒：块状、粒状细粒：片状、针状§1-1土的三相组成

第一章土的物理性质及工程分类1.土的颗粒级配（粒度成分）颗粒大小各粒径成分在土中占的比例狭义的颗粒级配影响土性的主因用途：给土体定名、分类；选用建筑材料。§1-1土的三相组成

第一章土的物理性质及工程分类颗粒大小粒组

按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类界限粒径dmm卵石砾石砂粒粉粒黏粒胶粒6020.050.0050.0020.250.5520粗

中

细粗

中

细

极细0.075粗粒土细粒土200块石§1-1土的三相组成

第一章土的物理性质及工程分类颗粒级配（粒度成分）确定方法

筛分法：适用于粗粒土(>0.075mm)

沉降分析法：适用于细粒土(<0.075mm)——各粒组的相对含量，用质量百分数来表示表述方法

颗粒级配累积曲线不均匀系数、曲率系数§1-1土的三相组成

第一章土的物理性质及工程分类沉降分析法（常用比重计法）：

适用于粒径小于0.075mm的土

比重计法是利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同来确定小于某粒径的土粒含量。将一定质量土浸入水中搅拌成悬液，搅拌停止后，土粒便开始下沉，悬液的浓度随之发生变化。利用特制的比重计，在不同时刻测悬液浓度的变化。即可换算出相应的粒径及小于该粒径的土粒质量，绘出级配曲线。颗粒分析的先进方法－激光颗分105.02.01.00.50.250.075200g101618242238721009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数P（％）105.01.00.50.0750.050.010.0050.001粒径(mm)P%958778665536土的颗粒级配累积曲线沉降分析法粒径(mm)0.050.010.005百分数P(%)2613.510§1-1土的三相组成

第一章土的物理性质及工程分类1009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)土的颗粒级配累积曲线d60d50d10d30d60d10d30CuCc0.330.0050.063662.41特征粒径:

d50:平均粒径d60:控制粒径d10:有效粒径d30

:中值粒径不均匀程度：Cu=d60/d10连续程度:Cc=d302

/(d60×d10)

—曲率系数—不均匀系数Cu

≥5,级配不均匀粗细程度：用d50

表示

§1-1土的三相组成

第一章土的物理性质及工程分类1009080706050403020100小于某粒径之土质量百分数（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒径(mm)土的粒径级配累积曲线d60d10d30曲线d60d10d30CuCcL0.330.0050.081663.98M0.0632.41R0.0300.545斜率:

某粒径范围内颗粒的含量

陡—相应粒组质量集中

缓--相应粒组含量少

平台--相应粒组缺乏连续程度:Cc=d302

/(d60×d10)

—曲率系数较大颗粒缺少Cc

减小较小颗粒缺少Cc

增大Cc=1~3,级配连续性好砾类土砂类土Cc

=1~3级配良好Cu≥5§1-1土的三相组成

第一章土的物理性质及工程分类颗粒级配曲线横坐标（对数坐标）表示粒径，纵坐标表示小于某粒径的土粒占土总重的百分比，由颗粒级配曲线可求得各粒组的相对含量。优点：这种横坐标可以将粒径相差上千倍的粗、细粒含量都表示出来，尤其能把占总重量小，但对土的性质可能有重要影响的微小土粒部分清楚地表达出来。§1-1土的三相组成

第一章土的物理性质及工程分类颗粒级配颗粒级配曲线及指标的用途：1）粒组含量用于土的分类定名；2）不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度：Cu≥5,不均匀土；Cu<5,均匀土3）曲率系数Cc用于判定土的连续程度：Cc

=1~

3,级配连续土；Cc>3或Cc<1,级配不连续土4）不均匀系数Cu和曲率系数Cc用于判定土的级配优劣：

如果Cu≥5且

Cc

=1~3，级配良好的土；如果Cu<5或Cc>3或Cc<1,级配不良的土§1-1土的三相组成

第一章土的物理性质及工程分类颗粒级配曲线级配良好：粒径分布曲线形状平缓，土粒大小分布范围广，土粒大小不均匀。级配不良：粒径分布曲线形状较陡，土粒大小分布范围窄，土粒均匀不连续级配：土中缺乏某些粒径的土粒，曲线出现水平段。正常级配：土的颗粒大小分布是连续的，曲线坡度是渐变的。图1-4粒径累计曲线对比图2.矿物成分黏土矿物:由硅片和铝片构成的晶包所组合而成§1-1土的三相组成

第一章土的物理性质及工程分类硅片的结构§1-1土的三相组成

第一章土的物理性质及工程分类铝片的结构§1-1土的三相组成

第一章土的物理性质及工程分类黏土矿物的晶格构造高岭石蒙脱石伊利石粒径比表面积胀缩性渗透性强度压缩性大10-20m2/g小大大小中80-100m2/g中中中中小800m2/g大小小大比表面积：单位质量土颗粒所拥有的总表面积9克蒙脱土的总表面积大约与一个足球场一样大§1-1土的三相组成

第一章土的物理性质及工程分类黏土矿物的带电性质研究表明：黏土颗粒的表面电荷，净电荷通常为负电荷§1-1土的三相组成

第一章土的物理性质及工程分类3.颗粒形状原生矿物

圆状、浑圆状、棱角状次生矿物

针状、片状、扁平状§1-1土的三相组成

第一章土的物理性质及工程分类结晶水矿物内部的水

结合水吸附在土颗粒表面的水自由水电场引力作用范围之外的水土中冰由自由水冻成，冻胀融陷(二)土中水（液相）§1-1土的三相组成

第一章土的物理性质及工程分类结合水排列致密、定向性强密度>1g/cm3冰点处于零下几十度具有固体的的特性温度高于100°C时可蒸发强结合水（吸着水）

位于强结合水之外，电场引力作用范围之内外力作用下可以移动不因重力而移动，有黏滞性弱结合水（薄膜水）

§1-1土的三相组成

第一章土的物理性质及工程分类自由水重力水毛细水在重力作用下可在土中自由流动存在于固气之间在重力与表面张力作用下可在土粒间空隙中自由移动毛细上升水：与地下水连通，形成毛细饱和带。

毛细悬挂水：不与地下水连通，存在于粒间孔隙角落。

§1-1土的三相组成

第一章土的物理性质及工程分类土中毛细现象上升高度:πr2hcγw=2πrTcosα毛细水分布在土粒内部相互贯通的孔隙可以看成许多形状不一、直径互异、彼此连通的毛细管毛细升高与孔径成反比黏土粉土砂土砾石分析对象:

水柱§1-1土的三相组成

第一章土的物理性质及工程分类对砂土强度的影响:毛细边角水,假凝聚力假定α=0,毛细压力2πrTcosα+ucπr2=0毛细压力分析对象:水膜§1-1土的三相组成

第一章土的物理性质及工程分类(三)土中气体自由气体：与大气连通，对土的性质影响不大封闭气体：增加土的弹性；阻塞渗流通道§1-1土的三相组成

第一章土的物理性质及工程分类五.土的结构和构造（一）土的结构

系土粒（集合体）大小、形状、排列、联结的综合特征。1、单粒结构

2、蜂窝结构

§1-1土的三相组成

第一章土的物理性质及工程分类粗大土粒（紧密和疏松）粉粒或细砂粒3、絮状结构

（二）土的构造（土体的宏观结构）1.层理构造：即成层性；2.裂隙性：大大降低土体的强度和稳定性。3.分散构造：土层中土粒分布均匀，性质相近，如砂与卵石层为分散构造。4.结核状构造：细粒土中混有粗颗粒或包裹物，如结核体、腐殖物、贝壳等。系物质成分、颗粒大小相近各部分相互关系的特征，即同一土层中不同结构部分的相互排列。§1-1土的三相组成

第一章土的物理性质及工程分类细小的黏粒或胶粒

土有三个组成部分：固相、液相和气相

小结1.固体颗粒2.土中水3.土中气体颗粒级配矿物成分颗粒形状结合水(强结合水、弱结合水)自由水(重力水、毛细水)自由气体封闭气体§1-1土的三相组成

第一章土的物理性质及工程分类§1-1土的三相组成§1-2土的三相比例指标§1-3黏性土的界限含水率§1-4砂土的密实度§1-5土的工程分类

第一章土的物理性质及工程分类§1-2土的三相比例指标土的物理状态粗粒土的松密程度黏性土的软硬状态土的物理性质指标(三相间的比例关系)力学特性影响表示

第一章土的物理性质及工程分类物理性质指标土的三个组成相的体积和质量上的比例关系§1-2土的三相比例指标密实程度干湿程度……特点:指标概念简单，数量很多要点：名称、概念或定义、符号、表达式、单位或量纲、常见值或范围、联系与区别定义基本方法:三相草图法

第一章土的物理性质及工程分类三相草图WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积§1-2土的三相比例指标

第一章土的物理性质及工程分类三相草图WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积已知关系五个:共有九个参数:

VVvVsVaVω

/msmωmam剩下三个独立变量三相草图法物性指标是比例关系:可假设任一参数为1对于饱和土,Va=0剩下两个独立变量实验室测定其它指标是一种简单而实用的方法§1-2土的三相比例指标

第一章土的物理性质及工程分类基本物理性质试验为了确定三相草图诸量中的三个量，通常进行三个基本的物理性质试验：土的密度试验土粒比重试验土的含水率试验

第一章土的物理性质及工程分类§1-2土的三相比例指标一.室内测定的三个物理性质指标（基本指标）WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积----土的密度、土粒的比重、土的含水率土的密度density

土的重度unitweight

γ=ρg工程上更常用,用于计算土的自重应力单位:kg/m3

或g/cm3单位:kN/m3

一般范围:1.60—2.20

g/cm3定义:单位体积土的质量有时也称土的天然密度表达式:相关指标:三相草图有助于直观理解物性指标的概念§1-2土的三相比例指标

第一章土的物理性质及工程分类测定方法：环刀法基本试验指标-土的密度WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积土粒比重（土粒相对密度）s:

土粒的密度，单位体积土粒的质量单位:无量纲4˚C时纯蒸馏水的密度=1.0g/cm3土粒比重在数值上等于土粒的密度定义:土粒的密度与4˚C时纯蒸馏水的密度的比值表达式:specificdensityofsolidparticles

§1-2土的三相比例指标

第一章土的物理性质及工程分类基本试验指标-土粒比重

测定方法：比重瓶法，事先将比重瓶注满纯水，称瓶加水的质量m1。然后把烘干土若干克(ms)装入空比重瓶内，再加纯水至满，称瓶加水加土的质量m2，按下式计算土粒比重土的名称砂土粉土黏性土土粒比重2.65－2.692.70－2.712.72－2.76WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积土的含水率watercontent

定义:土中水的质量与土粒质量之比,

用百分数表示注意:

其实是含水比,可达到或超过100％表达式:§1-2土的三相比例指标

第一章土的物理性质及工程分类基本试验指标-含水率测定方法：烘干法。先称出天然湿土的质量，然后放在烘箱里，在100～105℃下烘干，称干土的质量。

表示土中孔隙含量的指标孔隙比voidratio

孔隙率porosity二.导出指标关系:在某种程度上反映土的松密砂类土：28-35%黏性土：30-50%有的可达60-70%定义:土中孔隙体积与固体颗粒体积之比,无量纲表达式:WaterAirSoilVaVwVsVvV体积定义:土中孔隙体积与总体积之比,用百分数表示表达式:Vs=1Vv=eV=1+eWaterAirSoil体积三相草图可用于确定物性指标之间的关系§1-2土的三相比例指标

第一章土的物理性质及工程分类表示土中含水程度的指标含水率饱和度degreeofsaturation

WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积表达式:定义:土中水的体积与孔隙体积的比值饱和度表示孔隙中充满水的程度Sr=0:

干土Sr=1:

饱和土§1-2土的三相比例指标

第一章土的物理性质及工程分类表示土中密度和容重的指标天然密度干密度饱和密度天然重度干重度有效重度饱和重度WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积单位:kg/m3

或g/cm3单位:kN/m3

定义:

土被完全烘干时的密度,等于单位体积内土粒的质量表达式:§1-2土的三相比例指标

第一章土的物理性质及工程分类各种密度重度之间的大小关系：天然密度干密度饱和密度天然重度干重度有效重度饱和重度WaterAirSoilVaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积§1-2土的三相比例指标

第一章土的物理性质及工程分类常用的物理性质指标间的换算关系教科书P14表1-5要点从物理意义上理解指标间的关系不鼓励死记硬背必要时利用三相草图推导§1-2土的三相比例指标

第一章土的物理性质及工程分类小结物理性质指标土的三个组成相的体积和质量上的比例关系密实程度干湿程度……特点:指标概念简单，数量很多要点：名称、概念或定义、符号、表达式、单位或量纲、常见值或范围、联系与区别定义基本方法:三相草图法室内测定的三个物理性质指标（基本指标）土的密度、土粒的比重、土的含水率三相草图有助于直观理解物性指标的概念其它常用的物理性质指标表示土中孔隙含量的指标表示土中含水程度的指标表示土中密度和重度的指标三相草图可用于确定物性指标之间的关系三相草图法是求取物理性质指标的简单而有效的方法§1-2土的三相比例指标

第一章土的物理性质及工程分类例题1.1某工程地基勘探中，取原状50cm3，重95.15g，烘干后重75.05g，土粒比重为2.67。求：绘制三相比例图质量（g)体积(cm3)m=95.15gV=50cm3ms=75.05gVv

=50－28.11=21.89cm3Va=21.89－20.1=1.79cm3mw

=95.15－75.05=20.1g2、计算三相比例指标=19.39-10=9.39kN/m3质量（g)95.1575.0520.120.128.1121.891.79体积(cm3)2、Foragivensoil,theinsituvoidratiois0.72andds=2.61calculatetheporosity,dryunitweight,andthesaturatedunitweight.Whatwouldthemoistunitweightbesoilis60%.Solution:

§1-1土的三相组成§1-2土的三相比例指标§1-3黏性土的界限含水率§1-4砂土的密实度§1-5土的工程分类

第一章土的物理性质及工程分类黏性土的软硬状态也称稠度状态稠度状态与含水率有关黏性土含水率较硬变软流动一、稠度状态与界限含水率§1-3黏性土的界限含水率

第一章土的物理性质及工程分类塑限ωp液限ωl稠度界限黏性土的稠度反映土中水的形态固态或半固态塑态

流态

强结合水膜最大出现自由水强结合水弱结合水自由水稠度状态含水率土中水的形态w§1-3黏性土的界限含水率

第一章土的物理性质及工程分类缩限测定方法

把土料的含水率调制到大于土的液限，然后将试样分层填入收缩皿中，刮平表面，烘干，测出干土样的体积并称量至0.1克，按下式计算

收缩皿法塑限测定方法

即用双手将天然湿度的土样搓成小圆球（球径小于10mm），放在毛玻璃板上再用手掌慢慢搓滚成小土条，若土条搓到直径为3mm时恰好开始断裂，这时断裂土条的含水率就是塑限。（1）搓条法

取代表性试样，加入不同数量的纯水，调制成三种不同稠度的试样，用电磁落锥测定圆锥在自重作用下经5秒后沉入试样的深度。以含水率为横坐标，圆锥入土深度为纵坐标，在双对数纸上绘制关系曲线。入土深度2毫米所对应的含水率为塑限。（二）液塑限联合测定法塑限测定方法含水率（%）

液限测定方法

76g圆锥体经15秒钟恰好沉入10mm深度，这时杯内土样的含水率就是液限WL值。有些研究认为沉入17mm深度与碟式结果同,《公路土工试验规程》（JTGE40-2007）采用100g圆锥体沉入20mm深度。

将碟子抬高10mm，使碟下落，连续下落25次后，如土槽合拢长度为13mm，这时试样的含水率就是液限。

——吸附结合水的能力；黏性大小；大致反映黏土颗粒含量

1、塑性指数常作为细粒土工程分类的依据二、稠度指标§1-3黏性土的界限含水率

第一章土的物理性质及工程分类相对稠度对于不同的黏土，含水率相同，稠度可能不同液性指数不同的黏土，ωp、ωl

大小不同定义：2、液性指数§1-3黏性土的界限含水率

第一章土的物理性质及工程分类三、稠度状态的工程分类IL<0IL=0–1IL>1坚硬状态可塑状态流态0.00–0.250.25-0.750.75–1.00硬塑可塑软塑wpwwl黏性土在某含水率范围内，用外力塑成任何形状而不发生裂纹，外力移去后仍能保持既得形状。----可塑性问题：仅适用于重塑土§1-3黏性土的界限含水率

第一章土的物理性质及工程分类四、反映黏性土结构性的指标相同含水率、密度1.

黏性土的灵敏度—

St

=原状土结构性相同含水率密度粉碎重塑重塑土强度降低St11-22-44-88-16>16黏性土不灵敏低灵敏中等灵敏灵敏很灵敏流动原状土的无侧限抗压强度重塑土的无侧限抗压强度§1-3黏性土的界限含水率

第一章土的物理性质及工程分类含水率不变，密度不变，因重塑而强度降低，又因静置而逐渐强化，强度逐渐恢复的现象，称为触变性。土的触变性是土结构中联结形态发生变化引起的，是土结构随时间变化的宏观表现。目前尚没有合理的描述土触变性的方法和指标。2.黏性土的触变性

打桩§1-3黏性土的界限含水率

第一章土的物理性质及工程分类emax与emin：最大与最小孔隙比砂土密实度如何衡量?单位体积中固体颗粒含量的多少优点：简单方便缺点：不能反映级配的影响只能用于同一种土对策相对密实度孔隙比e或孔隙率nemax

=0.35emin

=0.20§1-4无黏性土的密实度

第一章土的物理性质及工程分类emax:最大孔隙比；将松散的风干土样通过长颈漏斗轻轻地倒入容器，避免重力冲击，求得土的最小干密度再经换算得到最大孔隙比emin:最小孔隙比；将松散的风干土样装入金属容器内，按规定方法振动和锤击，直至密度不再提高，求得土的最大干密度再经换算得到最小孔隙比emax与emin：最大与最小孔隙比注意：室内测得理论上的最大与最小孔隙比有时很困难§1-4砂土的密实度

第一章土的物理性质及工程分类2.砂土的松密标准

判别标准：Dr

=1,最密状态

Dr

=0,最松状态

Dr≤0.33

,疏松状态

0.33<

Dr≤0.67,中密状态

Dr>0.67,密实状态相对密实度根据相对密实度划分§1-4砂土的密实度

第一章土的物理性质及工程分类3.根据标准贯入锤击数划分落距为76cm，重为63.5kg的重锤通过钻杆把标准贯入器打入土中，每打入土中30cm所需的锤击数记为N`，进行划分

式中：触探杆长度校正系数

10（5）松散稍密中密密实§1-4砂土的密实度

第一章土的物理性质及工程分类

注:括号内数值为碎石土的判定标准。1、Ifagranularsoiliscompactedtoamoistunitweightof20.45kN/m2atamoistcontentof18%,whatistherelativedensityofthecompactedsoil.Givenemax=0.85,emin=0.42andds=2.65Solution:

compacted粗粒土的密实状态指标:相对密度Dr

小结细粒土的稠度状态指标:液性指数IL引入定义判别标准稠度界限稠度状态含水率土中水的形态塑性指数液性指数引入定义判别标准§1-4砂土的密实度

第一章土的物理性质及工程分类

第一章土的物理性质及工程分类§1-1土的三相组成§1-2土的三相比例指标§1-3黏性土的界限含水率§1-4砂土的密实